Objektorienterad programmering: Projekt Kylsim

Den här bilden föreställer ett kyl- och reningssystem för vattnet i en reaktortank i ett kärnkraftverk:

(Klicka på bilden för att se den i större format.)

Det heta vattnet i tanken cirkuleras med hjälp av pumpen P1 från tanken genom värmeväxlaren VVXL1 och filtret F1. Normalt är ventilerna V1, V2 och V3 öppna och V4 och V5 stängda. Med tiden blir filtret igensatt, varvid flödet genom systemet minskar. Filtret spolas rent med ett backflöde. Genom att stänga ventilen V2 och öppna V4 och V5 styrs delar av flödet bakvägen genom filtret F1 och ut i avloppet nod N8. Höjdskillnader behöver ej beaktas.

Skriv ett program, Kylsim, som simulerar systemet. Vattenflödet i flödesvägarna och trycket i noderna ska simuleras. Manövrering av ventilerna, dvs öppna/stäng, ska simuleras. Manövrering av pumpen, dvs start/stopp, ska simuleras. Värmetransporten genom systemet ska inte simuleras, utan bara vattenflödet.

[5~Programmet ska innehålla ett grafiskt användargränssnitt (GUI, Graphical User Interface) med vilket man kan betrakta och manövrera systemet enligt (för betygsnivå 3):

• En dynamisk bild av systemet ska visas på en grafisk skärm där noderna N1 och N7 är icke reglerbara med konstanta trycket 2 och N8 också icke reglerbar med trycket 1.
• I anslutning till varje nod ska nodens namn och tryck presenteras.
• I anslutning till varje ventil ska ventilens namn, ventilkäglans position och flödet genom ventilen presenteras.
• I anslutning till pumpen ska namnet, flödet och pumpvarvtalet presenteras.
• I anslutning till filtret ska namnet, filteröppningen (2 decimaler) och flödet presenteras. Larm (blinkande rött ljus) visas då filtret är igensatt till mer än hälften.
• I anslutning till värmeväxlaren ska namnet och flödet presenteras.
• När man klickar på en ventil ska en popupmeny dyka upp. I menyn ska finnas alternativ för att öppna och stänga ventilen.
• När man klickar på pumpen ska en popupmeny dyka upp. I menyn ska finnas alternativ för att starta och stoppa pumpen.

Redovisning

Läraren måste kunna provköra programmet. Det bästa sättet är att packa ihop hela katalogen med applikationen i en Zip-fil och skicka den med e-post. Men döp först om Zip-filen från nånting.zip till exempelvis nånting.info för att överlista överambitiösa virusfilter.

Inlämnat projekt ger betyget underkänd, 3, 4 eller 5 på delkurs 2. För betyget 3 krävs nivå 3, för betyget 4 krävs nivå 4 och för betyget 5 krävs nivå 5. Vilka uppgifter som ska göras för de olika nivåerna framgår nedan.

Fysikalisk bakgrund

där tryck_in och tryck_ut är trycket i anslutningsnoderna på resp. sida om ventilen.

Flödet genom en pump kan approximativt beräknas enligt:

där k, a och b är konstanter, varvtal är det normaliserade pumpvarvtalet och tryck_in resp. tryck_ut är trycket i anslutningsnoderna på resp. sida.

Dessutom gäller för pumpen att om trycket på sugsidan faller under en kritisk gräns kaviterar pumpen, den börjar sörpla. Pumpen kan inte pumpa mer vatten än vad som finns tillgängligt. I modellen räcker det med att begränsa flödet med en linjär funktion då sugtrycket närmar sig noll.

Summaflöde i en nod (anslutningspunkten mellan komponenterna) ska vara noll. Inget vatten kan produceras i en sådan punkt vilket innebär att det vatten som flödar in också måste flöda ut. Detta faktum kan användas för att reglera trycket i noderna. Om summaflödet är större än noll, dvs inflödet är större än utflödet är trycket i noden för lågt och måste höjas. Är inflödet lägre än utflödet är trycket för högt och måste sänkas.

Arbetsgång

Steg 1

Steg 2

Ta fram koden för fönstret (Form1.h) genom att högerklicka på fönstret och välja View Code. All kod som kommer att gälla för fönstret kommer att skrivas i denna headerfil.

Du skaffar en rityta i detta fönster genom att i private-delen av filen Form1.h definiera en pekare till ett Graphics-objekt inte som vanligt i C++ så här:

Graphics *canvas;

Graphics ^canvas;

I konstruktorn, som du också hittar i filen Form1.h, skapa ritytan genom att skriva:

canvas = this->CreateGraphics();

I designfilen för huvudformuläret, Form1(Design), skapar du en händelsefunktion som alltid kommer att köras då fönstret ändrar sitt utseende, exempelvis då det skapas, genom att klicka först på formuläret, sedan på events (blixten) och slutligen på händelsen Paint. Dubbelklicka sedan på den vita ytan bredvid Paint och det skapas en händelsefunktion där du fyller i önskad kod för att ex. rita en röd linje enligt:

// Skapa en röd penna
Pen^ pen = gcnew Pen(Color::Red);
// Rita en (röd) linje från 100, 100 till 200, 200
canvas->DrawLine(pen, 100, 100, 200, 200);

Provkör programmet genom att först bygga systemet med Build -> Build Solution (eller motsvarande snabbtangent) och sedan köra med Debug -> Start (eller snabbtangenten).

Steg 3

ref class NOD {

DrawEllipse påminner mycket om DrawLine, men DrawString är lite klurigare. Den behöver en Brush, en Font och sen en sträng av typen System::String, som är en särskild hanterad sträng. Om man har en variabel namn som är en vanlig std::string, kan man skriva så här:

Brush^ brush = gcnew SolidBrush(Color::Black);
Font^ font = gcnew Font(L"Courier", 30);
const char* cp = namn->c_str();
System::String^ n = gcnew System::String(cp);
canvas->DrawString(n, font, brush, (float)x + 10, (float)y);

Funktionen add_summaflode ska anropas av de till noden anslutna komponenterna, som vid anropet skickar det aktuella flödet till noden som parameter. Inflöde till noden skickas positivt och utflöde negativt.

Funktionen dynamik ska reglera trycket med hjälp av summaflödet. Är summaflödet positivt är trycket i noden för lågt och måste ökas. Ökar trycket kommer det att flöda in mindre och ut mera och summaflödet minskar. Använd till att börja med följande enkla regleralgoritm:

if (reglerbar) {
   if ( summaflode > 0 )
      tryck += 0.1;
   else if ( summaflode < 0 )
      tryck -= 0.1;
   summaflode = 0;
}

Det kan vara lite krångel med att få filerna genom kompilatorn, med namnrymder och allt. Som hjälp kommer här hur inledningen av filen NOD.cpp kan se ut:

#include "stdafx.h"
using namespace System::Drawing;
#include <string>
using std::string;
#include "NOD.h"

Steg 4

Steg 5

Steg 6

Steg 7

Steg 8

Steg 9

Steg 10

// k begränsar flödet
k = tryckin;
if ( k > 1.0 )
    k = 1.0;

Låt pumpens displayfunktion visa flöde och varvtal. Skapa en ny pumpmeny för pumpen med alternativen 'Starta' och 'Stoppa' precis som du gjorde för ventilerna. Ändra testprogrammet genom att ersätta den andra ventilen med en pump och därefter lägga in den andra ventilen och en 4:de nod. Ändra trycket så att det blir samma i båda gränsnoderna. Nu finns det en pump som står för flödet och som ger tryckskillnad.

Steg 11

// igensättning av filter
filteröppning = filteröppning - g*flöde;

Steg 12

Steg 13

Förbättringar (* obligatoriska för betyget 4 och ** obligatoriska för betyget 5)

Steg 14 *

Steg 15 *

// Reglera nod-trycket utgående från summaflöde
if (reglerbar) // om reglerbar
{
   if ( fabs(sf) > 0.1 )
   {
       if ( sf * sf_old < 0 && fabs(sf) > fabs(sf_old) )
          m *= 0.8;
       else
          m *= 1.05;
       if  ( m * fabs(sf) > 0.8 * p )
          m = 0.8 * p / fabs(sf);
       if ( m < 0.0001 )
          m = 0.0001;
   }
   i += m * sf;
   p = sf * m * 0.25 + i;
   if ( p < 0.001 )
       p = 0.001;
}
sf_old = sf;
sf = 0;

Steg 16 **

if (vp < set_vp)
{
   vp += dt*gt;
   if (vp > set_vp)
      vp = set_vp;
}
else if (vp > set_vp)
{
   vp -= dt*gt;
   if (vp < set_vp)
      vp = set_vp;
}

På samma sätt kompletterar du PUMP-klassen för en realistisk acceleration vid start och stopp.

Steg 17 **

Steg 18 **